锂离子电池（LIBs）作为电动汽车（EVs）和许多便携式设备的核心动力来源，已经取得了显著的进展。然而，随着电池能量密度的提升，安全性问题，尤其是热失控（Thermal Runaway, TR）事件，仍然是影响电池广泛应用的主要瓶颈。热失控会导致电池发生自燃或爆炸，极大地威胁到电池的安全性与可靠性。尽管已有多项研究深入探讨了热失控的起因及机制，但对热失控的实时观察及其传播过程的研究仍较为有限。现有的研究方法如同步辐射X射线扫描技术，虽然能够提供热失控过程的细节，但由于设备昂贵且不便于广泛应用，难以满足工业界对大规模、低成本热失控观察技术的需求。因此，发展一种简单、易操作、能在实验室环境中实现的热失控原位观察方法，对于提升锂电池的安全性至关重要。本研究提出了一种基于高频感应加热触发锂离子电池电极热失控的新型原位观察方法。通过自制的钢化玻璃容器，研究人员能够实时观察到热失控及其传播的全过程。实验结果表明，所有样品在热失控过程中均表现出了明显的排气现象，并且随着热失控的传播，隔膜上出现了树枝状的烧蚀痕迹。实验过程中还观察到气体流动路径、火花漂移、短路传播以及电解液沸腾等现象。通过CT扫描和拆解分析，研究团队进一步揭示了铜箔表面出现的裂纹与孔洞，证实了热失控过程中铜箔的过热与熔化。这些发现为深入理解锂离子电池热失控传播行为提供了新的视角，且有助于未来开发出更安全的电池设计。为了能够高效地触发并观察热失控过程，研究团队设计了一个结合高频感应加热的实验装置。实验装置包括一个透明的钢化玻璃容器，容器内部安装了电磁感应加热线圈，通过高频电流使电池电极升温，从而引发热失控反应。容器的设计使得研究人员可以通过相机从正面直接观察电池内部的变化过程，确保了实验过程的透明性和可操作性。实验过程中使用的是一款50 Ah的商用锂离子软包电池，经过充电后将其拆解。电池的正极、负极和隔膜被依次放置在钢化玻璃容器中，并加入适量的电解液。容器经过密封后被放入干燥室，确保粘合剂完全干燥。待准备工作完成后，通过高频感应加热线圈对电池进行加热，触发热失控现象，同时使用高清摄像机记录下整个过程的实时视频。在实验过程中，摄像机全程记录了热失控过程中的关键现象，如气体排放、火花漂移、短路传播及电解液沸腾等。为了进一步分析热失控的机制，研究团队对实验结束后的电池残骸进行了CT扫描和拆解分析。CT扫描帮助团队观察到电池内部铜箔层的损伤情况，包括表面波浪形裂纹与不均匀的孔洞，而拆解分析则揭示了隔膜和负极材料几乎被完全摧毁的情况。此外，研究人员还对铜箔的表面损伤进行了三维重建分析，通过比较不同铜箔层的灰度值，识别出热失控过程中的材料受损区域。通过这些数据，团队能够精准地确定热失控传播的路径与特征，并进一步探讨短路传播和火花漂移等现象。图 2. 在阴极、隔膜和阳极⼀层中触发 TR后从测试01和测试02中的容器中获得的结果
图 3. 试验 03 的碎⽚ CT 扫描测试结果分析
通过对实验数据的分析，研究团队得出了几个关键结论。首先，实验结果表明，只有在电池正负极堆叠层数达到或超过两层时，热失控才会发生并传播。所有样品均表现出了排气现象，并且随着热失控的扩展，隔膜上出现了典型的树枝状烧蚀痕迹。特别是阳极侧的隔膜受热收缩情况更为明显，这一现象可能与电池热失控时内部温度分布不均匀有关。其次，CT扫描与拆解分析结果进一步证实了热失控过程中，铜箔的表面会发生波浪形裂纹与孔洞，表明铜箔受热过度并发生熔化。通过三维重建，研究团队能够详细展示不同层次铜箔的受损情况，并进一步分析了不同区域的灰度差异，从而明确了热失控对电池材料的具体影响。最后，实验过程中还观察到短路的快速传播和火花漂移现象，表明热失控的传播不仅是局部的，它能够迅速影响到电池的其他部分，并引发一系列连锁反应。电解液的沸腾则表明，热失控过程中的化学反应对电池的稳定性构成了严重威胁。本研究提出的高频感应加热与原位观察结合的方法，为深入理解锂离子电池热失控的传播过程提供了重要的新视角。实验结果揭示了热失控过程中的多个关键现象，包括气体排放、火花漂移、短路传播和电解液沸腾等，这些发现为今后的电池设计与安全性评估提供了宝贵的参考数据。随着研究的深入，未来基于此技术的热管理策略有望为锂电池的安全性改进提供新的解决方案，从而推动电动汽车和储能系统的安全使用。Jin, Changyong, Yuedong Sun, Yuejiu Zheng, Jian Yao, Yu Wang, Xin Lai, Chengshan Xu, Huaibin Wang, Fangshu Zhang, Huafeng Li, Jianfeng Hua, Xuning Feng, and Minggao Ouyang. “In situ observation of thermal runaway propagation in lithium - ion battery electrodes triggered by high - frequency induction heating.” Cell Reports Physical Science 4, no. 7 (2023).
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